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        基于平順性某型汽車懸架的優(yōu)化選擇

        2013-12-20 08:24:34朱從云朱亞偉姜春英史建茹聶建軍
        中原工學院學報 2013年5期
        關鍵詞:幅頻特性平順阻尼比

        朱從云,朱亞偉,姜春英,史建茹,聶建軍

        (中原工學院,鄭州450007)

        隨著汽車產業(yè)的競爭越來越激烈,人們對汽車的要求從最初具有良好的動力性和經濟性逐漸發(fā)展為具有良好的平順性和操縱穩(wěn)定性[1-2].汽車的平順性主要是指汽車在行駛過程中產生的振動和沖擊對乘員舒適性的影響保持在一定界限之內,因此平順性主要是根據(jù)乘員主觀感覺的舒適性來評價的,它是現(xiàn)代高速汽車的主要性能之一.路面不平是汽車振動的基本輸入,并通過懸架系統(tǒng)將振動傳遞給人體,因而懸架系統(tǒng)的主要參數(shù)固有頻率f0和阻尼比ζ對汽車平順性具有決定性影響.本文以一種大眾款的城市SUV為例,探討汽車懸架參數(shù)的優(yōu)化選擇.

        1 汽車平順性的評價指標

        研究汽車平順性,常用車身振動的頻率和振動加速度作為評價指標.為了保證汽車具有良好的平順性,車身振動的固有頻率應為人體步行時所習慣的1~1.6Hz,振動加速度的極限值為2~3m/s2.當把振動系統(tǒng)的“輸出”作為優(yōu)化目標時,通常要綜合考慮車輪與路面間的動載和懸架剛度的動撓度,它們分別影響著汽車的行駛安全性和撞擊懸架限位的概率.

        研究汽車平順性,將汽車視為線性振動系統(tǒng).如圖1所示,將汽車簡化為三自由度雙軸振動模型.路面不平度和車速視為汽車振動系統(tǒng)的“輸入”,“輸入”經過輪胎、懸架座椅等彈性和阻尼元件以及懸掛、非懸掛質量構成振動系統(tǒng)的傳遞,得到的“輸出”是人體的加速度.

        圖1 三自由度雙軸汽車振動模型

        對于線性系統(tǒng)來說,如果輸入是正態(tài)分布的,輸出也必然是正態(tài)分布的.大量的測量表明,路面的隨機輸入和汽車的振動響應都基本上符合正態(tài)分布.這樣,汽車振動響應量的標準差與其概率分布之間存在著正態(tài)分布的簡單關系.

        當車輪與地面間的動載Fd與車輪作用于路面的靜載G大小相等且方向相反時,車輪作用于路面的垂直載荷等于零.此時,車輪會跳離路面,將失去縱向和側向附著力,使行駛安全性惡化.通常取G=3σFd,此時參數(shù)λ=3,概率P=0.3%,其中σFd為相對動載的均方根值.車輪與地面間的動載Fd的方向是上、下交變的,因此車輪跳離地面的概率為0.15%.同上,為了將汽車撞擊限位的概率控制在0.3%之內,懸架動撓度應不超過限位行程fd的1/3[3-4].

        2 汽車振動響應量的計算

        研究汽車的平順性,將“人體—座椅”振動系統(tǒng)附加在雙軸振動系統(tǒng)之上,就構成了計算人體加速度所需的三自由度振動系統(tǒng).評價汽車平順性的另外兩個指標相對動載Fd和懸架動撓度fd需在雙質量系統(tǒng)模型中進行研究.由于“人體—座椅”振動系統(tǒng)是固定不變的,所以在三自自由度振動系統(tǒng)中,車身幅頻特性和人體幅頻特性變化趨勢一致,故下文主要探討人體加速度的幅頻特性隨著懸架參數(shù)變化而受到的影響.為了將相對動載、懸架動撓度和人體加速度放在同一雙質量系統(tǒng)中進行研究,可以用車身加速度的幅頻特性代替人體加速度的幅頻特性,具體計算過程如下:

        (1)“人體—座椅”振動系統(tǒng)的幅頻特性:

        (2)雙質量振動系統(tǒng)的幅頻特性:

        車身加速度¨Z2對˙q的幅頻特性為

        相對動載Fd/G對q·的頻率響應函數(shù)為

        動載fd對q·的頻率響應函數(shù)為

        (3)雙軸振動系統(tǒng)的幅頻特性:

        (4)三質量振動系統(tǒng)的幅頻特性:

        車身上任意一點(距前軸距離為a)的人體加速度對q·的幅頻特性為

        其中:q·為路面不平度函數(shù)的導數(shù);

        振動響應的功率譜密度Gx(f)與路面速度輸入的功率譜密度G˙q(f)有如下關系:

        由于振動響應量取正負值的概率相同,所以其均值近似為零.這些量的統(tǒng)計特征值方差等于均方值,并可由功率譜密度對頻率積分求得:

        人體加速度、懸架動撓度和相對動載的標準差均可代入上式求得[2].

        3 固有頻率和阻尼比對平順性的影響

        3.1 車身固有頻率f0的影響

        圖2(a)—2(c)為f0分別取0.5Hz、1Hz、2Hz,其他參數(shù)保持不變時,振動響應量¨Z2、fd和Fd/G 對q·的幅頻特性.

        從圖2(a)-2(c)中可以看出,3個振動響應量對f0的變化都是很敏感的.隨著車身固有頻率的增加,懸 架動撓度fd對˙q的幅頻特性顯著降低,但¨Z2對˙q越大則動撓度越小,所以懸架動撓度隨車身固有頻率的增加而降低.Fd/G對˙q的幅頻特性與¨Z 對˙q的幅頻特性變化趨勢完全一樣.

        圖2 f0 對振動響應量¨Z2、fd 和Fd/G的影響

        從圖2(d)中還可以看到,車身加速度和相對動載隨著固有頻率的增大而增大;懸架動撓度隨著固有頻率的增大而減小.3條曲線均近似于直線,可知振動響應量與車身固有頻率接近于線性關系.

        3.2 車身阻尼比ζ的影響

        圖3(a)-3(c)為阻尼比ζ取0.125、0.25、0.5,其他參數(shù)保持不變時,振動響應量¨Z2、fd和Fd/G對˙q的幅頻特性.

        由圖3(a)-3(c)可見,阻尼比ζ對|fd/˙q|只在車身共振區(qū)和車輪共振區(qū)起作用,而且當ζ為0.5時,已不再呈現(xiàn)突出的峰值.輸入的頻率如果在系統(tǒng)共振段,將發(fā)生共振,使振幅明顯增大.當加大阻尼比時,阻尼力能消耗一部分振動疊加的能量,因而使振幅不至于太大,阻尼比越大,對能量的消耗越大,振幅也就越小.從圖3可以看出,阻尼比對低頻段的影響不大.在高頻的幅頻特性隨著固有頻率的增加而增加.因為車身固有頻率越高,相應的懸架撓度越大,在一定載荷下剛度段,輸入的頻率過高,遠遠超過系統(tǒng)的固有頻率,這樣,系統(tǒng)對輸入的激振頻率甚至來不及反應,所以輸出的振幅會很小.頻率越高,這種現(xiàn)象越明顯,輸出的振幅會越小.這就相當于,在高頻階段阻尼比越大,汽車懸架的剛度就越大,因而減振效果越不好,減小阻尼比ζ對減振更為有利.

        從圖3(d)還可以看到,車身加速度隨著阻尼比的增大而減小,直至在阻尼比處于0.3到0.4之間時達到最小值,然后逐漸開始上升.相對動載和懸架動撓度都隨著阻尼比的增大而逐漸減小,在開始時隨阻尼比變化顯著,而后變化趨于平緩.

        4 懸架的優(yōu)化方案

        為了優(yōu)選出懸架阻尼比和固有頻率的最佳組合,利用Matlab程序將懸架的阻尼比和固有頻率逐一進行排列組合,然后代入驗算,從中求出可以滿足約束條件的組合并優(yōu)選出最佳組合.Matlab程序設計的流程圖如圖4所示.

        圖4 懸架參數(shù)優(yōu)化Matlab程序流程圖

        在C級路面上人體加速度隨著阻尼比和固有頻率的變化曲線如圖5所示.從圖中可以看到,在撞擊懸架限位的概率和相對動載均滿足相關要求的情況下,人體的加速度越小,乘員乘坐汽車的舒適性越高.考慮到汽車的其他性能,可以從中選擇一組最優(yōu)化的設計參數(shù)(如表1所示),使汽車既具有良好的行駛平順性,又具有良好的制動性和操縱穩(wěn)定性.

        通過分析汽車原始設計參數(shù)及其運算結果可知,汽車在C級路面以50km/h的速度行駛時,人體加速度有效值為1.65m/s2,此時已經對乘員的舒適性造成一定的影響.相對動載為0.37時,λ=2.69,通過查詢正態(tài)分布,得P=0.69%,車輪跳離地面的概率為0.345%,汽車的安全性相對比較低一點.但是,根據(jù)表懸架阻尼比為0.34.懸架參數(shù)優(yōu)化前后人體加速度幅頻特性曲線如圖6所示,優(yōu)化后的幅頻特性要低于原值.在C級路面行駛時,人體加速度從1.65m/s2降到1.49m/s2,相對動載從0.37降到0.33,懸架動撓度雖然從20.45mm上升到22.22mm,但其撞擊限位的概率依然控制在規(guī)定范圍內.所以,優(yōu)化后的懸架振動響應量人體加速度、動撓度和相對動載都能控制在一個合理的范圍內,人體的舒適性進一步得到提高,汽車具有良好的行駛平順性.中數(shù)據(jù)及前面分析可以得知,汽車懸架動撓度相對較小,也即是說在壞路運行時,撞擊懸架的概率要稍微低一點.

        圖5 C級路面人體加速度隨著阻尼比和固有頻率的變化曲線

        表1 通過Matlab程序運行優(yōu)選出來的懸架參數(shù)

        如表1中第2列數(shù)據(jù),車身固有頻率選擇為1.15Hz,

        圖6 懸架參數(shù)優(yōu)化前后人體加速度幅頻特性曲線

        5 結 語

        作為大眾款的城市SUV,消費者更青睞的是其大空間以及較高的性價比,其越野性能在實際駕駛中很少得到應用.而且我國公路建設近年來不斷取得進步,城市中的路況已經較為理想.所以,對于該型汽車來說,過多的追求越野性甚至以犧牲舒適性為代價是完全沒有必要的.因此,在以不犧牲汽車安全性和操縱穩(wěn)定性的前提下,可以適當降低懸架彈簧的剛度以提高汽車的乘坐舒適性.

        [1]劉進偉,吳志新,徐達.基于 ADAMSCAR的某轎車懸架優(yōu)化設計 [J].輕型汽車技術,2006,31(8):4-7,14.

        [2]汪隨風,劉競一,鄧日青.基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架的仿真分析及優(yōu)化設計 [J].湖北汽車工業(yè)學院學報,2007,21(2):14-15.

        [3]萬里翔,許明恒.汽車行駛平順性評價方法的研究 [J].西南交通大學學報,2001,36(1):71-75.

        [4]余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:120-154.

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